T.C. MİLLÎ EĞİTİM BAKANLIĞI ELEKTRİK-ELEKTRONİK TEKNOLOJİSİ UYDU HABERLEŞMESİ Ankara, 2013
Bu modül, mesleki ve teknik eğitim okul/kurumlarında uygulanan Çerçeve Öğretim Programlarında yer alan yeterlikleri kazandırmaya yönelik olarak öğrencilere rehberlik etmek amacıyla hazırlanmış bireysel öğrenme materyalidir. Millî Eğitim Bakanlığınca ücretsiz olarak verilmiştir. PARA İLE SATILMAZ.
İÇİNDEKİLER AÇIKLAMALAR... ii GİRİŞ... 1 ÖĞRENME FAALİYETİ 1... 3 1. UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİ... 3 1.1. Uydu Haberleşmesine Giriş, Tarihçe, Frekans Spektrumu... 3 1.2. Uydu Haberleşme Sistemlerinin Temel Blokları... 7 1.3. Uydu Uzay Ortamının Tanımlanması... 9 1.4. Yörünge Tipleri, Leo, Meo, Heo, Geo, Geosenkron Yörüngeler Bu Yörüngelerde Çalışan Uydular... 9 1.5. Yörüngesel Mekanik, Yörünge Elemanları... 12 UYGULAMA FAALİYETİ... 13 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME... 15 ÖĞRENME FAALİYETİ 2... 17 2. UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİ HESAPLAMALARI... 17 2.1. Yere Göre Durağan Yörüngede Kapsama Açısı ve Uyduya Olan Mesafenin Hesaplanması, Uydu Tutulması... 17 2.2. Uydu Haberleşmesinde Anten Bakış Açılarının Hesaplanması... 20 2.3. RF Uydu Linki ve Link Hesabı... 21 2.4. Uydu Linkinde Yağmur Etkilerinin Hesaplanması... 21 2.5. RF Uydu Linkinde İnterferans Etkilerinin Hesaplanması... 22 2.6. Çoklu Erişim Teknikleri... 23 2.6.1. FDMA (Frekans Bölmeli Çoklu Erişim)... 24 2.6.2. TDMA (Zaman Bölmeli Çoklu Erişim)... 25 2.6.3. CDMA (Kod Bölmeli Çoklu Erişim)... 26 2.7. Yerde Hareketli Uydu Sistemleri... 27 2.7.1. Eutelsat Sistemleri... 27 2.7.2. INMARSAT Uydu Sistemleri... 28 2.7.3. İridium Uydu Sistemleri... 30 2.7.4. GPS (Global Positioning System) Uydu Sistemleri... 31 UYGULAMA FAALİYETİ... 33 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME... 35 MODÜL DEĞERLENDİRME... 37 CEVAP ANAHTARLARI... 40 KAYNAKÇA... 42 i
ALAN DAL/MESLEK MODÜLÜN ADI MODÜLÜN TANIMI SÜRE 40/24 AÇIKLAMALAR AÇIKLAMALAR Elektrik-Elektronik Teknolojisi Haberleşme Sistemleri Servis Elemanı / Haberleşme Sistemleri Uydu Haberleşmesi Bu modül, iletişim teknolojileri ve çeşitleri hakkında bilginin ve kullanım yerine göre tercih seçeneğinin kazandırıldığı bir öğrenme materyalidir. ÖN KOŞUL YETERLİK MODÜLÜN AMACI EĞİTİM ÖĞRETİM ORTAMLARI VE DONANIMLARI ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Bu modülün ön koşulu yoktur. Uydu haberleşme sistemlerinde gerekli seçim, tanımlama ve hesaplamaları yapmak Genel Amaç Bu modül ile gerekli ortam sağlandığında, değişik yörüngelerde bulunan uydular için Uydu ile RF haberleşmesini bileceksiniz. Amaçlar 1. Uydu haberleşme sistemleri çalışma prensibini kavrayıp gerekli tanımlamaları yapabileceksiniz. 2. Uydu haberleşme sistemlerinde kullanılan temel hesaplamaları yapabileceksiniz. Ortam Elektrik-elektronik laboratuarı, işletme, kütüphane, ev, bilgi teknolojileri ortamı vb. Donanım Bilgisayar, projeksiyon cihazı, çizim ve simülasyon programları, kataloglar, haberleşme deney setleri, fiber optik deney seti, adsl modem, çalışma masası, AVO metre, bread board, eğitmen bilgi sayfası, yardımcı elektronik devre elemanları, elektrik elektronik el takımları. Modül içinde yer alan her öğrenme faaliyetinden sonra verilen ölçme araçları ile kendinizi değerlendireceksiniz. Öğretmen modül sonunda ölçme aracı (çoktan seçmeli test, doğru-yanlış testi, boşluk doldurma, eşleştirme vb.) kullanarak modül uygulamaları ile kazandığınız bilgi ve becerileri ölçerek sizi değerlendirecektir. ii
GİRİŞ GİRİŞ Sevgili Öğrenci, İnsanoğlu var olduğu günden beri haberleşme ihtiyacı hissetmiş ve bu ihtiyacını yaşadığı çağın sahip olduğu teknolojisine göre bir şekilde karşılamıştır. Yeri gelmiş haberleşme için dumanı yeri gelmiş güvercini ve bazen de binekli posta araçlarını kullanmıştır. Haberleşme adına gelişen teknoloji insanoğlunun duyduğu haberleşme ihtiyacına göre gelişmiştir. Haberleşme teknolojisindeki bu gelişme günümüze kadar devam etmiş ve halende devam etmektedir. Günümüz de ise haberleşme sistemlerinde ulaşılan son nokta uydu sistemleridir. Uydu sistemleri, haberleşme alanında daha hızlı ve yüksek kapasiteli ama aynı zamanda da düşük maliyetli sistemler yaratma çabaları sonucunda ortaya çıkmıştır. İlk olarak savunma ve askeri maksatlarla kullanılan uydu sistemleri yıllar geçtikçe artık hayatın her safhasında kullanılır olmuştur. Zamanla özel şirketler, üniversiteler ve devlet sektörü de uydu sistemlerinden yararlanır olmuştur. Uydu teknolojisi artık öyle bir hâl almıştır ki artık özel sektörün sunduğu uydu imkânlarıyla değil ülkeler kişiler bile takip edilir hâle gelmiştir. Bu modülde sizlere çeşitli uydu teknolojileri çeşitlerini ve uydu sistemlerindeki hesaplamalardan bahsedilecektir. 1
2
ÖĞRENME FAALİYETİ 1 AMAÇ ÖĞRENME FAALİYETİ 1 Uydu haberleşme sistemleri çalışma prensibini kavrayıp gerekli tanımlamaları yapabileceksiniz. ARAŞTIRMA En çok kullanılan uydu sistemlerini araştırıp sınıfta anlatınız. 1. UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİ 1.1. Uydu Haberleşmesine Giriş, Tarihçe, Frekans Spektrumu Uyduları kullanarak haberleşme fikri ilk olarak ünlü İngiliz bilim adamı ve bilim kurgu yazarı Arthur C. Clarke tarafından Mayıs 1945'te ortaya atılmıştır. Uydu haberleşme sistemlerinde yapılan araştırmalar, 1957 yılında meyvesini vermiş ve Sputnik uzaya gönderilen ilk uydu olmuştur. Bu tarihten sonra Arthur C. Clarke in 1945 yılında Wireless World dergisinde yayınlanan makalesinde ortaya attığı fikirlerin hayal olmadığını teyit eden birçok gelişme yaşanmaya başlamıştır. Sputnik in verdiği ivme ile daha sonraki yıllarda yörünge sabit uydular, yeryüzünde karasal hatların gidemediği yerlerde, kıtalar arası kablo sistemlerin devamı olarak ve televizyon / radyo yayıncılığı gibi sivil alanlarda kullanılırken askeri amaçlı da birçok uygulama hayata geçirilmiştir. Yüksek frekans kullanan kablosuz haberleşme sistemlerinin hedefi; birbirini fiziksel olarak görebilen 2 nokta arasında iletişim sağlamaktır. Resim 1.1: Bir haberleşme uydusu 3
İletişim için ya birbirini gören 2 noktaya ya da bu iki noktayı da görebilen üçüncü bir noktaya ihtiyaç vardır. Arthur C. Clarke bu üçüncü noktanın yerden belirli bir yükseklikte, doğru yörüngede konumlandırılmış ve bir tam turunu 24 saatte tamamlayan uydular olabileceğine işaret etmiştir. Çünkü yeryüzünün dairesel bir yapıda olması, binalar, dağlar vb. fiziksel engeller bahsettiğimiz 2 noktanın birbirini doğrudan görmesini engellemektedir. Yapay uydu fikri ilk meyvesini SPUTNIK-1 in fırlatılmasıyla vermiştir. 1957 yılında SPUTNIK-1 in uzaya fırlatılmasıyla özellikle uydu haberleşmesinin getirdiği kolaylıklar ve ekonomik kazanç dikkati çekmiş, araştırma ve geliştirme faaliyetlerine verilen önemin sonucunda uzay çalışmalarında ikinci büyük adım 1969 yılında ilk insanın Ay a ayak basmasıyla atılmıştır. Gerçek anlamda ilk aktif uydu (Explorer 1) ise, NASA nın yürüttüğü SCORE projesi kapsamında 1958 yılında yörüngeye yerleştirilmiştir. Bu anlamda uzaya gönderilen ilk uydular askeri amaçlı olarak kullanılmış ve ticari uyduların da öncülüğünü yapmıştır. Resim 1.2: Sputnik 1 uydusu 1964 yılına kadar, AT&T firmasının iki TELSTAR, iki RELAY ve iki SYNCOM uydusu orta yörüngede (yaklaşık 5.600 km) çalışıyordu. 1960 ların basında, uydular çok güvenilir olmadığından, veri kullanımı da layıkıyla yapılamıyordu. Ancak, üç eksenli sabit (dönmeyen) uyduların 1963 yılında icadı ile veri kullanımı son derece cazip gelmeye başladı. Nisan 1965 te, COMSAT firmasının ilk uydusu EARLYBIRD, ABD deki Cape Caneveral üssünden fırlatıldı. Böylelikle, küresel uydu haberleşme çağı da başlamış oldu. Uydu ABD malı olmasına karşın, ortaklık tamamen küreseldi. Uydu fırlatıldığında İngiltere, Fransa ve Almanya gibi ülkelerde yer istasyonları çoktan hazırdı. Bu uluslararası ortaklık 19 ülkenin de katılımıyla, 20 Ağustos 1964 te global uydu servisi verilmesi amacıyla en büyük ve en kapsamlı uydu organizasyonu olan INTELSAT (Uluslar Arası Haberleşme Uyduları Organizasyonu) adı altında yeni bir organizasyon ortaya çıkmıştır. 4
Türkiye nin 1968 yılında %1.64 hisse ile üye olduğu örgüt bugün, 10 u Atlantik, 6 sı Hint okyanusu, 2 si Asya Pasifik ve 4 tanesi de Pasifik bölgelerinde olmak üzere 22 uydu, 2700 adet yer istasyonu ile %100 e yakın kesintisiz hizmet sunarak küresel iletişimde önemli bir yapıya öncülük etmektedir. Günümüz itibariyle üye ülke sayısı 141 olan INTELSAT en büyük haberleşme kuruluşudur. Yalnız üye ülkeler değil dünyadaki her topluluk ve şirket INTELSAT ın sağlamakta olduğu data/ses, video servislerinden ve yeniliklerinden yararlanmaktadır. Avrupa ülkeleri ses, görüntü ve data iletişimi amacıyla 1977 yılında, Avrupa Uydu Haberleşme Örgütünü (EUTELSAT) kurdu. Coğrafi olarak Avrupa kıtası içinde bulunan ülkelerin üye olma imkânı olan kurulusun hizmet alanı Avrupa, Orta Doğu ve Kuzey Afrika ile sınırlıdır. Bugünkü üye sayısı 39 olan EUTELSAT, 7 uydu ile Avrupa ülkeleri arasında özel telekomünikasyon, radyo, TV hizmetleri vermektedir. ABD Deniz Kuvvetleri Komutanlığı için Şubat 1976'da, mobil kullanımı içeren MARISAT uydusu fırlatıldı. 1979 yılında yeni nesil uyduları ve 35 ülkede kurulu olan 50 kıyı yer istasyonu üzerinden mobil iletişim servisi veren Birleşmiş Milletler Uluslararası Denizcilik Organizasyonu INMARSAT kurulmuştur. INMARSAT, gemicilik, uçak endüstrisi, denizaşırı ve karasal mobil endüstrilere telefon, teleks, data ve faks ile servisleri sağlayan uluslar arası bir uydu konsorsiyumudur. INMARSAT; mobil terminallere, deniz ve hava araçlarına telefon, teleks, data, faks, internet, elektronik posta, kısa mesaj ve acil durum çağrı (SOS) servisi vermektedir. 1980-1990 lı yıllarda yaşanan rekabet ve gelişen teknolojik şartlar ile doğru orantılı olarak uydu teknolojisinde de büyük mesafeler kat edilmiştir. Bunların içinde meteoroloji uyduları, uzay istasyonları, pasif ve aktif telekomünikasyon uyduları, GPS sisteminin kullanılması, uzay mekikleri, uzay teleskopları, bilimsel uydular, veri değerlendirme uyduları belli baslı olanlarıdır. Resim 1.3: Türkiye de kullanılan uydu sistemleri (1994-2020) 5
Türkiye de Eutelsat ve İntelsat kuruluşlarının üyesidir. Bu nedenle her iki kuruluşun toplantılarında delegeler bulundurmaktadır. TRT Kurumu Avrupa Yayın Birliği (EBU) ile olan haber trafiğini radyo sistemlerinin yanı sıra ECS-F2 uydusundan da yararlanarak yürütmektedir. Yurdumuzda İntelsat ve ECS (Eutelsat) ile uydu bağlantıları ve uydu haberleşme işletmeciliğini Türksat ın görev ve sorumluluk kapsamına girmektedir. Türksat ın Gölbaşı yer istasyonu tesislerinde İntelsat ın 1 derece batı 66 derece batı ve Eutelsat ın 7 derece batı ve 13 derece doğu uydularına çevrili dev antenler kuruludur. Türkiye nin iletişim uyduları ile bağlantıları bu tesis aracılığı ile gerçekleşmektedir. Türkiye nin uydu denemeleri 1994 yılında Türksat 1A ile başlamış. Fakat uydu taşıyan rokette gelen arıza nedeniyle bu deneme başarısız olmuştur. Daha sonraki yıllarda fırlatılan Türksat 1B (1994) ve Türksat 1C (1996) uyduları ömrünü tamamlamıştır. Şu anda ülkemizin aktif olarak çalışan Türksat 2A (2001) ve Türksat 3A (2008) uyduları mevcuttur. Gelecekte ise Türksat 4A ve Türksat 4B uydularının 2013 yılının ilk yarısında uzaya gönderilmesi hedeflenmektedir. TÜRKSAT-4A uydusu ile uydu filosunda C Bant ilk defa kullanılacak ve bu frekans bandında Afrika kapsaması olacaktır. Bu sayede Türksat uyduları Türkiye, Avrupa, Orta Doğu, Kuzey Afrika, Orta Asya ve Çin'den sonra Afrika kıtasının da tamamını kapsamış olacaktır. TÜRKSAT-4B uydusu ile TV yayıncılığına ilave olarak Ka Bantta firmalara ve ev kullanıcılarına data ve internet hizmetleri sunulacaktır. Uydu teknolojisi ile iletişim Türkiye ye yeni bir boyut getirmiştir. Bu boyut çağdaş iletişimin hızıdır. Bugün yurdun herhangi bir yerinden yurda yayın yapma ve bunu çok kısa bir zamanda gerçekleştirme olanağına sahibiz. Radyo ve TV yayınları hedeflerinde TV yayınlarının çok kanalda ve net izlenir hale getirileceği belirtilmiş, ilke ve politika bölümünde bu uygulamanın uydu teknolojisinden yararlanarak gerçekleştirileceği açıklanmıştır.haberleşme hedefleri arasında ikinci uydu haberleşme yer istasyonu da yer almaktadır. FREKANS BAND Uplink frekansı Down-link frekansı 2500 MHz-2700 MHz S 2,7 GHz 2,5 GHz 3400 Mhz-6425 Mhz C 6 GHz 4 GHz 7250 Mhz-8400 Mhz X 8,4 GHz 7,25 GHz 10,95 Ghz-14,5 Ghz Ku 14 GHz 11 GHz 17,7 Ghz-21,2 Ghz Kc 21 GHz 18 GHz 27,5 Ghz-31Ghz K 31 GHz 27,5 GHz Tablo 1.1: Uydu haberleşmesinde kullanılan frekanslar (1994-2020) 6
Uydu haberleşme sistemlerinde genellikle 4 ana frekans bandı kullanılmaktadır. Bunlar sırasıyla C-bandı, X-bandı, Ku-bandı ve Ka-bandıdır. Çalışma frekansları ve kullanım alanları aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Resim 1.4: Uydu haberleşmesinde kullanılan frekanslar (1994-2020) 1.2. Uydu Haberleşme Sistemlerinin Temel Blokları Uydu Haberleşme sistemi bir veya daha fazla uydu linki içerir. Bu linklerin her biri bir çift yer istasyonu ve bir uydudan oluşmaktadır. Bu linklerin her biri, mikrodalga sinyalini uyduya gönderen bir verici yer istasyonu (up-link), bu sinyali uydudan alan bir alıcı yer istasyonu (down-link) ve uygun frekans ve güce sahip bir uydu sisteminden oluşmaktadır. Resim 1.5: Uydu haberleşmesinde temel bloklar 7
Mikrodalga sinyalleri uyduya ve yer istasyonuna atmosferik yol kayıplarından dolayı zayıflayarak ulaşır çünkü uydu yörüngesi dünyadan 36000 km uzaklıktadır. Uydu haberleşmesinde yer istasyonlarının uyduya yeterli güçte ulaşabilmeleri için geniş açılı antenlere ve yüksek güçlü mikrodalga sinyalleri kullanma ihtiyaçları vardır. Aynı zamanda yer istasyonlarının, uydudan gelen zayıf işaretleri almaları için yine geniş açıklıklı parabolik antenler kullanılır. Antenler; aşırı termal gürültülerden veya diğer mikrodalga sistemlerin interferanslarından kaçınmak için düşük gürültülü ve düşük yan lobe şeklinde olmalıdır. Bir düşük gürültülü yükseltici uydudan alınan çok zayıf sinyali kuvvetlendirmek için gereklidir. Uydu haberleşme devrelerinde C/N (işaret gürültü oranı) haberleşme kalitesinde ITU kriterlerine göre kabul edilebilir bir seviyede olmalıdır. Verici katı, modülatör katından gelen modüleli işareti iletim ortamına uygun olan frekansa çeviren bir up-converter (üst çevirici) birimi ve uyduya çıkış için gerekli gücü sağlayan güç kuvvetlendirici birimlerinden oluşur Şekil 1.1: Basit uydu uplink istasyonu blok diyagramı Uyduya gönderilen bir mikrodalga sinyalinin yer istasyonu tarafından alınması işlemine downlink denir. Bir yer istasyonu alıcı sistemi, anten, feed, alıcı, down-converter (alt çevirici) ve demodülatör kartlarından oluşur. Şekil 1.2: Basit uydu downlink istasyonu blok diyagramı 8
Uydu içerisinde bulunan transponder (aktarıcı ), alış işareti hatasız geldiğinde otomatik olarak tepki veren ve gönderme yapan alıcı verici cihazdır. Yer istasyonu uplink sinyali uydu transponderi tarafından alınan ve downlink istasyonuna geri gönderilir. Şekil 2 de, bir C-bant uydu transponderinin tipik bir basitleştirilmiş bir blok diyagramını gösterilmektedir. Bileşenleri ve alt sistemleri, çok güvenilir küçük, hafif olması gerekir. Ayrıca mümkün olduğunca da verimli bir şekilde çalışması gerekmektedir. Şekil 1.3: Basit uydu transponder (aktarıcı) blok diyagramı 1.3. Uydu Uzay Ortamının Tanımlanması Uyduların tanımak için öncelikle atmosfer ve uzayın bir tanımını yapmak gerekir. Hava vasıtaları açısından bakıldığında, atmosfer denince, vasıtanın aerodinamik kuralları açısından uçabileceği en yüksek irtifa akla gelmektedir. Bu yükseklik 100.000 120.000 ft tir (yaklaşık 40 km). Atmosferi oluşturan hava kütlesinin %99 u bu irtifaın altındadır. Bir uydunun uçabileceği en alçak irtifa ise, 150 km dir. Bu uzayın başladığı en alçak irtifa olarak kabul edilmekle birlikte, uluslararası belgelerde açık olarak ifade edilmemektedir. Eliptik yörüngeli bir uydunun yere en alçak (perigee) geçebileceği yükseklik ise 129 km dir. Bugün artık birçok kişi tarafından hava ve uzay birbirinden ayrılmaz bir bütün olarak kabul edildiğinden, bu ortam hava-uzay (aerospace) olarak adlandırılmaktadır. 1.4. Yörünge Tipleri, Leo, Meo, Heo, Geo, Geosenkron Yörüngeler Bu Yörüngelerde Çalışan Uydular Uyduların, gezegen etrafında dönerken izledikleri yola yörünge denir. Yörünge yükseldikçe uydunun ömrü artar. Uyduların ana yapıları planlanırken, kullanma alanları, uzaydaki ömrü, üzerindeki cihazlar ve bunların ömürleri, güç sistemleri ve diğer yardımcı sistemler göz önüne alınarak tasarlanır. Genel görünümleri simetrik küre ve silindir seklindedir. Yerden 36.750 km yükseklikteki bir yörüngede bulunan bir uydu ile yaklaşık yerkürenin yarısı görülebilir. Uydu fırlatıldıktan sonra, yeryüzünün çevresinde dönmesinden oluşan merkezkaç kuvvet ile yeryüzünün çekim kuvvetinin dengelenmesinden dolayı yörüngesinde kalır. Dünyaya yakın yörüngelerde, uydu daha fazla yer çekimi kuvvetine maruz kalacağından bu kuvveti dengelemek için uydunun daha hızlı dönmesi gerekir. Bu nedenle, dünyaya yakın olan uydular hızlı, uzak olan uydular ise yavaş döner. 9
Resim 1.6: Yapay uydu yörüngeleri Bugün uydular, özellikle haberleşme, uzaktan algılama ve seyrüsefer sistemleri olmak üzere çok geniş alanlarda faaliyet göstermektedir. Bu görevleri icra eden uyduların yerleştirildiği yörüngeler, icra edecekleri görevin özelliklerine bağlı olarak, farklılıklar göstermektedir. Alçak yörünge uyduları (Low Earth Orbit - LEO) Resim 1.7: Alçak yörünge (LEO) Yeryüzünden 200-3000 km yükseklikte konumlanmıştur. Kapsama alanları dardır. Bu nedenle evrensel hizmet sağlanabilmesi için çok sayıda LEO uydu kullanılmaktadır. (Iridium 66, Teledesic 288 uydu içerir.). Atmosfer etkilerine maruz kaldıklarından ömürleri kısadır. Yörüngede kalabilmek oldukça hızlı hareket ederler, bu nedenle kapsama alanları 10-15 dakika içinde değişir. Orta yörünge uyduları (Medium Earth Orbit- MEO) Resim 1.8: Orta yörünge (MEO) 10
Orta yörünge uyduları 5000-13000 km yükseklikte bulunan uydulardır. Alçak Yörünge Uyduları (LEO) ile Yerdurağan Yörünge Uyduları (GEO) arasında bulunan yörüngede hareketlerini sürdürür. Bu yörüngede bulunan uydular GPS hizmetleri gibi yerkonum belirleme için kullanılır. Yüksek yörünge uyduları (High Eliptical Orbit-HEO) Resim 1.9: Yüksek yörünge (HEO) Yüksek yörünge uyduları (HEO), dünyaya uzaklıkları en fazla değişen uydulardır. Yörüngesel hareketi sırasında bir kutup bölgesi üzerinde dünyaya çok yaklaşırken diğer bir kutup bölgesinde ise dünyadan çok uzak bir noktadan geçer. Bu tip uydular, diğer uyduların erişemediği kutup bölgelerinde etkilidir. Daha çok bilimsel çalışmalar ve bölgede bulunan iş istasyonlarının iletişimi için kullanılır. Yerdurağan yörünge uyduları (Geostationary Earth Orbit-GEO) Resim 1.10: Yere durağan yörünge (GEO) İletişim amacıyla kullanılan uyduları çok yüksek alıcı-verici anten kulelerine benzetebiliriz. İletişim amaçlı uyduların hemen hepsi (Geosynchronous Equatorial Orbit - GEO) Jeosenkron Ekvatoral Yörünge üzerinde bulunan uydulardır. Yeryüzünden yaklaşık 36000 km yükseklikte Ekvator düzleminde olan uydulardır. Dönme periyotları Dünya nın dönüş periyoduna eşittir ve dolayısı ile yeryüzündeki bir gözlemciye göre durağan görünmektedir. 11
Resim 1.11: Yere durağan yörünge (GEO) Kapsama alanları neredeyse tüm dünyanın %40 ı olmak üzere oldukça geniştir. Yere göre sabit olmaları nedeni ile çeşitli hizmetler için oldukça elverişlidir. Kutup bölgeleri GEO uydular tarafından kapsanmaz ancak bu kısımda nüfusun yok denecek kadar az olduğu düşünüldüğünde çok da büyük bir dezavantaj değildir. Ayrıca sadece 3 GEO uydu ile dünyanın büyük çoğunluğu kapsanabilmektedir. Ancak 36000 km gibi bir yükseklik söz konusu olduğundan sinyaller yüksek gecikme ve yol kaybına uğrar. Yüksek gecikme değerleri, gecikmeye duyarlı uygulamalar için GEO uyduları elverişsiz kılar. Uydu Tipi Yeryüzüne Uzaklık Dönme Periyodu İletişim Süresi LEO Uydusu 2.000 km'ye kadar 1,5 2 saat 5 20 dk. MEO Uydusu 2.500 19.000 km 5 12 saat 2 4 saat GEO Uydusu 35.786 km 23 saat 56 dk 4 sn. Devamlı Tablo 1.2: Yapay uydu yörüngelerinin karşılaştırılması 1.5. Yörüngesel Mekanik, Yörünge Elemanları Uydu yörüngeleri altı elemandan oluşan iki farklı veri seti ile tanımlanmaktadır. Bunlar, Kepler elemanları ya da diğer ismi ile yörünge elemanları ve uydu konum / hız bilgilerini içeren durum vektörleridir. Genel olarak odaklarından birinde dünyanın bulunduğu eliptik bir yörüngede seyreden bir uydunun yörüngesinin hesaplanması ve benzetimlerinin gerçekleştirilmesi için üç boyutlu uzayda anlık konum ve hız bilgisini içeren toplam altı bileşenin biliniyor olması yeterlidir. Ancak uzun yıllardır astrodinamik ile uğraşan bilim insanları, gök cisimlerinin yörüngelerini Kepler elemanları kullanarak sınıflandırmaktadır. Bu sebeple, uyduların yörüngelerini tanımlayan tüm veritabanları Kepler elemanları esas alınarak oluşturulmaktadır. Yörünge Elemanları Sembol Yarıbüyük eksen a Dışmerkezlik ε Eğim i Enberinin boylamı ω 0 Çıkış düğümünün sağaçıklığı Ω 0 Ortalama anomali M 0 Başlangıç zamanı t o Tablo 1.3: Yörünge elemanları 12
UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ Örnek bir uygulama alanında bir uydu anteni kurulumu için aşağıdaki işlem basamaklarını sırasıyla gerçekleştiriniz. İşlem Basamakları Kurulum için malzeme tespiti yapınız. Araç gereç, ekipman (takım, donanım) ihtiyaçlarını belirleyiniz. Çalışma sahasında teknik veriler toplayınız. Uydu anteninin sabit bir yere monte edilmesini sağlayınız. Uydu sinyal seviyesi ölçme aleti kullanarak, yörenizde en güçlü uydu yayınlarından birine göre uydu anteninizi sabitleyiniz. Bilgi ve iletişim uydularından gelen sinyalin geldiği uydunun yörüngesi hakkında bilgi edininiz. Maliyet hesabını yapınız. Öneriler Kuruluma başlamadan önce gerekli çalışma ortamını hazırlayınız. Kurulum sırasında gerekli olan malzemeleri düzgün bir şekilde masanıza yerleştiriniz. Kurulum esnasında dikkatinizi yaptığınız işe veriniz. Kurulum başlamadan önce kullanacağınız cihazların sağlamlık kontrolünü yapınız. Araştırmanızı raporlaştırınız. 13
KONTROL LİSTESİ Bu faaliyet kapsamında aşağıda listelenen davranışlardan kazandığınız beceriler için Evet, kazanamadığınız beceriler için Hayır kutucuğuna (X) işareti koyarak kendinizi değerlendiriniz. Değerlendirme Ölçütleri Evet Hayır 1. Uydu haberleşmesine ve giriş ve tarihçesini biliyor musunuz? 2. Uydu haberleşme sistemlerinin temel bloklarını biliyor musunuz? 3. Uydu uzay ortamını tanımlayabiliyor musunuz? 4. Yörünge tiplerini biliyor musunuz? 5. Yörünge elemanlarını biliyor musunuz? DEĞERLENDİRME Değerlendirme sonunda Hayır şeklindeki cevaplarınızı bir daha gözden geçiriniz. Kendinizi yeterli görmüyorsanız öğrenme faaliyetini tekrar ediniz. Bütün cevaplarınız Evet ise Ölçme ve Değerlendirme ye geçiniz. 14
ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Aşağıdaki soruları dikkatlice okuyunuz ve doğru seçeneği işaretleyiniz. 1) Aşağıdakilerden hangisi yapay uydu değildir? A) Eutelsat B) Türksat C) Sputnik D) Ay 2) Aşağıdakilerden hangisinde uydu sistemleri kullanılabilir? A) Meteoroloji B) Askeri C) Hepsi D) Telekomünikasyon 3) Hangisi ülkemizin kullandığı haberleşme uydusudur? A) Türksat B) Eutelsat C) İridium D) Sputnik 4) Uydudan gönderilen sinyalin yer istasyonu tarafında alınmasına.denir? A) Up-link B) Down-link C) Elevation D) Transponder 5) Uyduların gezegen etrafında dönerken izlediği yola denir? A) Azimut açısı B) Yörünge C) Clarke D) Senkron 6) Clarke kuşağı hangi yörüngedir? A) MEO B) HEO C) LEO D) GEO 7) Clarke kuşağının yörünge yüksekliği ne kadardır? A) 16000 km B) 26000 km C) 36000 km D) 46000 km 15
8) Hangisi yörünge elemanlarından değildir? A) Azimut açısı B) Dış merkezlik C) Eğim D) Başlangıç zamanı DEĞERLENDİRME Cevaplarınızı cevap anahtarıyla karşılaştırınız. Yanlış cevap verdiğiniz ya da cevap verirken tereddüt ettiğiniz sorularla ilgili konuları faaliyete geri dönerek tekrarlayınız. Cevaplarınızın tümü doğru ise bir sonraki öğrenme faaliyetine geçiniz. 16
ÖĞRENME FAALİYETİ 2 AMAÇ ÖĞRENME FAALİYETİ 2 Uydu haberleşme sistemlerinde kullanılan temel hesaplamaları yapabileceksiniz. ARAŞTIRMA Çevrenizde bulunan uydu antenlerini inceleyip yönleri hakkında fikirlerinizi sınıf içinde tartışınız. 2. UYDU HABERLEŞME SİSTEMLERİ HESAPLAMALARI 2.1. Yere Göre Durağan Yörüngede Kapsama Açısı ve Uyduya Olan Mesafenin Hesaplanması, Uydu Tutulması Yeryüzünden yaklaşık 36000 km yükseklikte Ekvator düzleminde olan uydulardır. Dönme periyotları Dünya nın dönüş periyoduna eşittir ve dolayısı ile yeryüzündeki bir gözlemciye göre durağan olduklarından bu isim verilmiştir. Resim 2.1: Yapay uydu yörüngeleri 17
Kapsama alanları neredeyse tüm dünyanın %40 ı olmak üzere oldukça geniştir. Yere göre sabit olmaları nedeni ile çeşitli hizmetler için oldukça elverişlidir. Kutup bölgeleri GEO uydular tarafından kapsanmaz ancak bu kısımda nüfusun yok denecek kadar az olduğu düşünüldüğünde çok da büyük bir dezavantaj değildir. Ayrıca sadece 3 GEO uydu ile evrensel hizmet sağlanabildiğinden sistem karmaşıklığı az ve dolayısı ile ağın yönetimi kolaydır. Ancak 36000 km gibi bir yükseklik söz konusu olduğundan, sinyaller yüksek gecikme ve yol kaybına uğrar. Yüksek gecikme değerleri, gecikmeye duyarlı uygulamalar için GEO uyduları elverişsiz kılar. Dünyanın yüzündeki belli bir noktaya uydudan çekilen bir çizgi ile dünyanın yüzünden geçen teğetin arasındaki açı belli bir derecenin üzerinde kalacak şekilde oluşturulan görüş alanına uydunun ayak izi denmektedir. Bu şekilde iki uçta sinyalin en güçlü alındığı alan da tespit edilmiş olur. Böylelikle uydular belli bir açı ile belirtilen ayak izleri içinde hizmet verir, ayak izi dışına çıkıldığında iletimi bir sonra gelmekte olan uyduya devretmektedir. Ayak izi kavramını daha iyi açıklayabilmek için Şekil 1 de bir uydunun ayak izinin yarısı gösterilmektedir. Resim 2.2: Türksat uydusu bakış açısı (uydu ayak izi) Ayak izi dışına çıkıldıkça uydu sinyali zayıflar kullanılması gereken anten boyutu artar. 18
Uydu ayak izinin genişliği ve sinyal gücü uydu ile yer istasyonu arasındaki mesafe ile bağlantılıdır. Bu hesaplamalar yapılırken vektorel işlemler ve koordinat sistemi kullanılır. Şekil 2.1: Uydu bakış açılarının hesaplanması Uydu tutulması; yılın belirli zamanlarında güneşin izlenen uydu ile aynı hizaya gelmesi, dolayısıyla alıcının güneş patlamalarının etkilerinden en fazla etkilendiği, yaklaşık 5 dakika süren durumdur. Resim 2.3: Uydu tutulması zamanları Parabolik çanak antenlerde güneşin gölgesinin çanağın tam göbeğine düştüğü anlarda oluşur. Bu durumlarda uydu iletişimi geçici olarak kesilir. Özellikle ekinoks zamanı (21 Mart ve 21 Eylül) artar. 10 dk dan 72 dk ya kadar çıkar. Bu sürede bataryalardan güç alınır. Uydu istasyonun doğusundaysa istasyonda gündüz iken uydu tutulması olur. Uydu batıdaysa akşam saatlerinde tutulma olur (daha az kullanım). Ekinoks zamanı güneş bazen yer istasyonunda aşırı gürültü oluşturur (10 dk.). 19
2.2. Uydu Haberleşmesinde Anten Bakış Açılarının Hesaplanması Bakış açısı; yer istasyonundaki antenin uydudaki yayınları sorunsuz bir şekilde alabilmesi ve gönderebilmesi için uyduya doğru bakması gereken açıdır. Bu açı, Azimuth açısı ve Elevation (yükselme) açısı olmak üzere iki bileşenden oluşur: Azimuth: Gerçek kuzeye göre yatay açı anlamına gelmektedir. Yatay doğrultuda uydu anteninin belli bir uyduya doğru bakması gereken doğrultudur. Pusuladan bakıldığında 0 derece kuzey, 180 derece güney olacaktır. Çanak anteninize saat yönünde yaptıracağınız hareket sonucu oluşan açıdır. Şekil 2.2: Uydu anten azimut açısı Elevation (yükselme açısı): Uydu anteninin belli bir uyduya doğru düşey doğrultuda bakış açısıdır. Çanak anteninizi yukarı veya aşağıya doğru yaptıracağınız hareket sonucu oluşan açıdır. Şekil 2.3: Uydu anten elevation (yükselme) açısı 20
2.3. RF Uydu Linki ve Link Hesabı Uydunun haberleşmesinde 3 kademe vardır. Yer istasyonun (verici), uydu, yer istasyonudur (alıcı). Burada verici istasyondan uyduya olan yola yer istasyonu-uydu linki (up-link), uydudan alıcı yer istasyonuna olan yola uydu-yer istasyonu linki (down-link) denir. Bu hatlar çok uzun mesafelerde iletişim gerçekleştirildiği için çok hassas hesaplamalarının yapılması gerekmektedir. Bu hesaplamalar için kullanılan parametreler aşağıdaki gibidir. Gönderme gücü ve bit enerjisi Yer istasyonu vericilerinde kullanılan yüksek güç yükselteçleri ve uydu transponderlerinde kullanılan ilerleyen dalga tüpleri, doğrusal olmayan aygıtlardır; kazançları (çıkış gücü-giriş gücü oranı), giriş sinyal düzeyine bağlıdır. Etkili izotropik yayılan güç Etkili izotropik yayılan güç(eirp), eşdeğer gönderme gücü olarak tanımlanır. Antenden yayılan toplam güce ve antenin gönderme kazancına bağlıdır. Eşdeğer gürültü sıcaklığı Yeryüzü mikrodalga sistemlerinde, bir alıcıda ya da alıcı içindeki bir bileşende meydana gelen gürültü, gürültü parametresi ile ifade edilir. Gürültü yoğunluğu Basit bir biçimde ifade etmek gerekirse, gürültü yoğunluğu, 1 Hz lik bant genişliğine normalleştirilmiş toplam gürültü gücü toplam gürültü gücü ya da 1 Hz lik bant genişliğinde mevcut gürültü gücüdür. Taşıyıcı- gürültü yoğunluğu oranı Ortalama geniş bant taşıyıcı gücü-gürültü yoğunluğu oranıdır. Geniş bant taşıyıcı gücü, taşıyıcı ile bu taşıyıcıya karşılık gelen yan bantların toplam gücüdür. 2.4. Uydu Linkinde Yağmur Etkilerinin Hesaplanması Hava koşulları radyo dalgalarının yayılımını etkileyen ek bir faktördür. Rüzgâr, hava sıcaklığı ve atmosferdeki su buharının etkilerinin değişik şekillerde birleşmesi radyo sinyallerinin alışılmış menzillerinin yüzlerce mil ötesinde bile duyulmasına sebep olabilmektedir. Tersine, bu etkilerin farklı bir birleşimi sinyalin aşırı zayıflamasına ve normal menzilin çok altından bile duyulamamasına neden olabilir. Maalesef, hava durumu fazlasıyla karmaşık olduğu ve çabuk değiştiğinden hava şartlarının etkilerini kesin ve hızlı bir şekilde belirlemek için bir kural yoktur. 21
Atmosferde her zaman katı, sıvı ya da gaz hâlinde bir miktar su bulunur ve bu yüzden tüm hesaplamalarda suyun etkileri göz önünde bulundurulmalıdır. Genellikle bu etkiler radyo dalgasının frekans ve dalga boyu ile doğru orantılıdır. Örneğin yağmurun mikrodalga frekanslarında çok belirgin bir etkisi vardır. Yağmur, suyun yoğunlaşma şekilleri arasında radyo dalgalarını en çok zayıflatandır. Yağmur damlası, radyo dalgasının gücünün bir kısmını emerek ısıya dönüştürür ya da değişik doğrultularda saçılmasına neden olur. 100 MHz in üstünde saçılma sebepli kayıp emilmeden de fazladır. Saçılma etkisi antenlerin görüş açılarını değiştirdiği için kayıplarda oldukça etkilidir. 2.5. RF Uydu Linkinde İnterferans Etkilerinin Hesaplanması Electromagnetic Interference (elektromanyetik girişim) bir elektromanyetik işaretin bir başka elektromanyetik işaret ile karışması olarak tanımlanır. İnterferans elektronik ve elektrikli cihazların çalışmalarını etkileyebilen önemli bir faktördür dolayısıyla elektrikelektronik cihaz üreticilerini, tasarımcılarını, ithalatçılarını, perakende satıcılarını ve kullanıcılarını ilgilendirmektedir. Günümüzde elektronik teknolojisinin, haberleşme sistemlerinin gelişmesi ve genişlemesiyle birlikte interferans kaynaklarının sayısı ve çeşitliliği önemli ölçüde artmıştır. Bunun sonucu olarak da elektromanyetik girişim ortamında yer alan elektronik cihazlarda çok çeşitlilik arz eden fark edilmesi zor etkiler ortaya çıkmaktadır. Resim 2.4: Su dalgasında interferans Uydu haberleşmesinde interferans etkileri oldukça fazladır. İnterferans etkileşimleri şekil 2.4 te gösterilmiştir. 22